物理必修1第一章 运动的描述4 实验：用打点计时器测速度教案设计

这是一份物理必修1第一章 运动的描述4 实验：用打点计时器测速度教案设计，共5页。

★新课标要求
（一）知识与技能
1、了解两种打点计时器的结构和工作原理。
2、会安装并使用打点计时器。
3、理解根据纸带测量速度的原理并测量瞬时速度。
4、明确速度—时间图象的意义，描点法画图象的方法，并画出该实验中的速度—时间图象。
（二）过程与方法
1、通过学生自己看打点计时器的说明书，培养学生独立学习的能力。
2、通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。
3、通过画速度—时间图象培养学生用图象法处理数据的能力，体验数学工具在物理发展中的作用。
4、体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑。
（三）情感、态度与价值观
1、感觉打点计时器的巧妙设计思路，体会物理原理在解决实际问题中的指导作用，增强将物理知识应用于生活实际的意识。
2、经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，并乐于探索自然界的奥妙。
3、培养学生敢于创新和实事求是的科学态度和科学精神。
★教学重点
1、打点计时器的使用。
2、由纸带计算物体运动的瞬时速度。
3、画物体的速度—时间图象。
★教学难点
对纸带数据的处理。
画图象的方法。
★教学方法
教师启发、引导，学生自主阅读、思考，亲自动手实验，并讨论、交流学习成果。
★教学过程
（一）课前活动
教师活动：课前布置学生预习本节实验。
学生活动：学生看书明确实验的各项任务及实验仪器。
（二）进行新课
1、对“打点计时器的认识”的学习
教师活动：教师布置学生对照仪器看说明书，引导学生注意其重点部分
学生活动：观察打点计时器并阅读其使用说明书，明确两种打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法。
教师活动：指导学生动手练习使用打点计时器，并引导学生思考：纸带上的点与小车的位移和时间是如何对应的，怎样将纸带上的点变成相关的数据。
学生活动：动手练习使用打点计时器，打出几条纸带，讨论怎样获取数据，并用列表格的形式把数据列出。
教师活动：聆听学生回答，进行点评和指导。
学生活动：思考23页的思考与谈论：怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？如果纸带上的点迹分布不均，那么，点迹密集的地方表示运动的速度较大还是较小？
教师活动：聆听学生回答，进行点评。
2、用打点计时器测量瞬时速度
教师活动：根据前面所学的瞬时速度的理论，引导学生怎样计算实际运动中物体的瞬时速度。教师巡回指导。
学生活动：讨论怎样获取数据，怎样根据自己的纸带计算不同时刻的瞬时速度并采用列表法有条理的列出。
3、用图象表示速度
教师活动：引导学生思考怎样画出速度—时间图象，为什么要用平滑的曲线“拟合”。
学生活动：根据前面计算的瞬时速度，画出速度—时间图象，同组各成员之间再次比较运动的区别，感受不同的运动规律。体会交流“拟合”的意义。
教师活动：聆听学生回答，点评。
（三）课堂总结、点评
1、打点计时器的原理构造（如图）

实验原理：（1）电磁打点计时器：它是利用电磁感应原理打点计时的一种仪器，当通过4—6V低压交流电时，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便上下振动起来，位于振片一端的振针就跟着上下振动而打点，这时，如果纸带运动 ，振针就在纸带上打出一系列点，当交流电源频率为50Hz时，它每隔0.02s打一点，即打出的纸带上每相邻两点间的时间间隔为0.02s。
（2）电火花计时器：它是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示点迹的计时仪器。当接通220V交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在运动纸带上就打出一系列点迹。当电源频率为50Hz时，它也是每隔0.02s打一次点，即打出的纸带上每相邻两点间的时间间隔也是0.02s。
电火花计时器工作时，纸带运动时受到的阻力小，比电磁打点计时器实验误差小。
打在纸带上的点，记录了纸带运动的时间，如果把纸带跟物体连在一起，纸带上的点就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置。
2、带分析物体的运动情况并能计算平均速度。
（1）在纸带上相邻两点间的时间间隔均为0.02s（电源频率为50Hz），所以点迹密集的地方表示纸带运动的速度很小。
（2）根据v=△x/△t，求出在任意两点间的平均速度，这里△x可以用直尺测量出两点间的距离，△t为两点间的时间间隔数与0.02s的乘积。这里必须明确所求的是哪两点之间的平均速度。
3、粗略计算瞬时速度。
某点E的瞬时速度可以粗略地由包含E点在内的两点间的平均速度来表示。如图1.4-1，
vE≈vDG，或vE=vDF。
说明：在粗略计算E点的瞬时速度时，可利用公式v=△x/△t来求解，但须注意的是，如果取离E点越接近的两点来求平均速度，这个平均速度越接近E点的瞬时速度，但是距离太小会使测量误差增大，应该根据实际情况选取这两个点。
4、v-t图象与其画法
为了更直观地反映物体的运动情况，我们可以用v-t图象来表示速度随时间的变化规律。
以速度v为纵轴，时间t为横轴建立直角坐标系，根据计算出的不同时刻对应的瞬时速度值，在坐标系中描点，最后用平滑曲线把这些点连接起来就得到了一条能够描述速度v与时间t关系的图象。
5、实验器材
电磁打点计时器（或电火花计时器）及纸带、刻度尺、电源、导线等。
6、注意事项
（1）电源电压要符合要求，电磁打点计时器应使用10V以下的交流电源；电火花计时器要使用220V交流电源。
（2）实验前要检查打点的稳定性和清晰程度，必要时要进行调节或更换器材。
（3）使用打点计时器应先接通电源，待打点计时器稳定后再用手拉纸带。
（4）手拉纸带时，速度应快一些，以防点迹太密集。
（四）实例探究
☆打点计时器及应用
［例1］一同学在使用打点计时器时，纸带上点不是圆点而是一些短线，这可能的原因是（ ）
A．接在直流电源上 B．电源电压不稳
C．电源频率不稳 D．打点针压得过紧
解析：A．接在直流电源上不会打点。A错。
B．打点与电压是否稳定无关，点痕重轻与电压有关。B错。
C．频率不同打的点仍为圆点。故C错。
D．打点针压得过紧。针和纸接触时间长，打出一些短线。D正确。
答案：D
☆打点计时器直接测量的量
［例2］电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸 带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是（ ）
A．时间间隔 B．位移 C．加速度 D．平均速度
解析：从打下的纸带上数一下点的个数就知道时间，因为两个点的时间间隔为0.02s.故A选项正确。
用刻度尺量一下任意两个点间的距离，就知道了物体的位移。故B选项正确。
从纸带上不能直接得到加速度、平均速度，只可以间接计算。故C、D选项错误。
答案：AB
［例3］ 用接在50 Hz 交流电源上的打点计时器，测定小车速度，某次实验中得到一条纸带，如下图所示，从比较清晰的点起，每五个打印点取一个记数点，分别标明0、l、2、3、4……，量得0与 1两点间距离x1=30mm，3与4两点间的距离x2=48mm，则小车在0与1两点间平均速度为 m／s。
解析：0～1两点间的平均速度m/s
★课余作业
1、思考P24“说一说”栏目中提出的问题，
2、完成P26“问题与练习”中的问题。
3、阅读教材P26“科学漫步”《气垫导轨和数字计数器》短文，思考并回答文后提出的问题。
★“问题与练习”（P26）参考答案
1、电磁打点计时器误差较大。
因为电磁打点时振针与复写纸对纸带的摩擦力较大，而电火花相对阻力较小，另外，电磁打点时容易出现振针压的过紧、过松、复写纸不好用都不易把点打清晰，所以电火花计时器误差较小。
2、解：（1）纸带左端与重物相连。
（2）取离A点最近的两个点，求其两点间的平均速度就可代替A点的瞬时速度。
因为在A的附近取的点越近，用平均速度代替A点的速度就越精确，而离A最近的只能是BC两点，所以如此。
3、对甲：物体开始有初速度，方向为正，在运动过程中是大小不变，方向也不变化的，所以甲是匀速直线运动，速度的大小方向都不变，运动方向也不变。
对乙：物体开始初速度为0，向正向运动，到达一定值后大小方向不变，一段时间后速度开始变小，方向不变，直到减为零，而运动方向不变。速度大小变化，方向没变。
4、两相邻点距离与纸带速度有关，速度越大距离越大。
两相邻点的时间都是1s，纸带快慢不影响。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
★资料袋：
人们称摄影为瞬间艺术，但只有当高速摄影出现后，才有了真正意义上的瞬间摄影。普通闪光灯持续发光时间可达到1／20000 s，这对于拍摄体育运动等素材是够用了。然而子弹飞行时的速度少说也有数百米每秒，要想抓拍子弹运动的瞬间，曝光时间要用百万分之一秒的数量级。后来人们开始使用激光光源以达到在更短时间中发出更强烈的照明，才能清楚地将它的影像凝固在底片上。
高速摄影有广泛的用途。例如，在汽车的快速碰撞试验的研究中，人们先把碰撞的过程拍摄成电影，然后以很慢的速度放映，以便观察在碰撞期间车身如何变形，从而发现薄弱的那位。又如，某些昆虫具有令人惊叹的飞行技巧，如在急速飞行过程中急剧减速、悬空停住、以不超过其身长的半径转弯等。借助高速摄影技术，可以对它们运动过程中的振翅情况进行研究。
高速摄影甚至在绘画艺术中也发挥了作用。以前谁也没有清楚地见过奔马的四只蹄子到底是如何摆动的，以至于画家们一直凭借主观感觉去画奔马。借助高速摄影技术，人们对此才有了正确的认识。
闪光频闪摄影是借助于电子闪光灯的连续闪光，在一张底片上记录运动物体的连续运动过程的摄影技术。频闪摄影的关键器材是电子频闪灯。当电子频闪灯充足电后，就可以像连发手枪一样，一次紧接一次地频繁闪光。闪光频率越高，底片曝光次数越多，在照片上出现的影像也越多。高频电子频闪灯的闪光频率（每秒钟的闪光次数）可达上百次。
用电子频闪灯拍摄频闪照片应选择一个黑色的背景，被摄者距离背景尽可能远些，以避免频闪光照亮背景，或在画面中出现影子，从而影响主体的效果。如果主体距离背景比较近，最好使闪光灯与被摄物体形成侧光和侧逆光的照射角度，被摄物体也最好有明显的轮廓线条，从而防止影像与背景的色调混杂。相机与被摄者的距离要近一些，这是因为设定频闪后，闪光指数会下降很多。